DAĞITIM HATLARINDA YÜKSEK EMPEDANS ARIZASININ SİMÜLASYONLU ANALİZİ. Aynur KOÇAK ELEKTRİK ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ ANA BİLİM DALI

(1)

(2)

DAĞITIM HATLARINDA YÜKSEK EMPEDANS ARIZASININ SİMÜLASYONLU ANALİZİ

Aynur KOÇAK

ELEKTRİK ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ ANA BİLİM DALI

GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ

HAZİRAN 2021

(3)

ETİK BEYAN

Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Tez Yazım Kurallarına uygun olarak hazırladığım bu tez çalışmasında;

• Tez içinde sunduğum verileri, bilgileri ve dokümanları akademik ve etik kurallar çerçevesinde elde ettiğimi,

• Tüm bilgi, belge, değerlendirme ve sonuçları bilimsel etik ve ahlak kurallarına uygun olarak sunduğumu,

• Tez çalışmasında yararlandığım eserlerin tümüne uygun atıfta bulunarak kaynak gösterdiğimi,

• Kullanılan verilerde herhangi bir değişiklik yapmadığımı,

• Bu tezde sunduğum çalışmanın özgün olduğunu,

bildirir, aksi bir durumda aleyhime doğabilecek tüm hak kayıplarını kabullendiğimi beyan ederim.

Aynur KOÇAK 10/06/2021

(4)

DAĞITIM HATLARINDA YÜKSEK EMPEDANS ARIZASININ SİMÜLASYONLU ANALİZİ

(Yüksek Lisans Tezi) Aynur KOÇAK GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ

Haziran 2021 ÖZET

Akıllı şebekeler elektrik enerjisini daha verimli ve güvenli bir şekilde iletmek amacıyla geleneksel elektrik şebekelerine alternatif olarak ortaya çıkmıştır. Geleneksel şebekelerden farklı olarak bir diğer avantajı ise çift yönlü iletim sağlayabilmesidir. Günümüzde akıllı şebeke uygulamaları hayatımızın farklı alanlarında yer almaktadır. Bu sebepten dolayı akıllı şebekelerde meydana gelebilecek çeşitli arızalar öngörülmeli ve bunlar için gerekli önlemler alınmalıdır. Akıllı şebekeler diğer haberleşme (ZigBee, Fiber optik) teknolojilerine ek olarak güç hattı haberleşmesinide kullanmaktadır. Literatürde güç hattı haberleşmesinde meydana gelebilecek farklı arızalar mevcuttur. Bu arızalara örnek olarak yüksek empedans arızası verilebilir. Dağıtım hatlarında meydana gelen yüksek empedans arızaları güvenlik tehlikelerine, ark olaylarına ve ortaya çıkabilecek yangınlar nedeniyle olası ekipman ve can kayıplarına neden olabilir. Bununla birlikte, yüksek empedans arızalarında yüksek genlikli arıza akımı meydana gelmediğinden geleneksel aşırı akım röleleri veya sigortalar ile bu arızayı tespit etmek oldukça zordur. Bu çalışmamızda, akıllı şebeke yapısına sahip dağıtım sistemlerinde güç hatları üzerinden yapılan haberleşmelerde meydana gelebilecek yük empedans arızalarının, dağıtım hattı uzunluğunun ana kol akımına ve yüksek empedans arızası akımına etkisi farklı modellerle MATLAB/Simulink tabanlı simülasyonlarda incelenerek yorumlanmıştır.

Bilim Kodu : 90545

Anahtar Kelimeler : Akıllı şebekeler, dağıtım hattı, haberleşme teknolojileri, güç hattı haberleşmesi, yüksek empedans arızası

Sayfa Adedi : 89

Danışman : Prof. Dr. M. Cengiz TAPLAMACIOĞLU

(5)

SIMULATED ANALYSIS OF HIGH IMPEDANCE FAULT IN DISTRIBUTION LINES

(M. Sc. Thesis) Aynur KOÇAK GAZİ UNIVERSITY

GRADUATE SCHOOL OF NATURAL AND APPLIED SCIENCES June 2021

ABSTRACT

Smart grids have emerged as an alternative to traditional electricity grids in order to transmit electrical energy more efficiently and safely. Another advantage of the smart grids are that they can provide bidirectional transmission unlike the traditional network. Today, smart grid applications take place in different areas of our lives. For this reason, various malfunctions that may occur in smart grids should be foreseen and necessary precautions should be taken for them. Smart grids also use power line communication in addition to other communication technologies (ZigBee, Fiber optic). There are different faults that may occur in power line communication in the literature. An example of these faults is a high impedance fault. High impedance faults in distribution lines can cause safety hazards, arcing events and possible loss of equipment and lives due to fires. However, it is very difficult to detect this fault with conventional overcurrent relays or fuses, as high-amplitude fault current does not occur in high impedance faults. In this study, the effects of load impedance faults that may occur in communications made over power lines in distribution systems with smart grid structure, distribution line length on main branch current and high impedance fault current are analyzed and interpreted with different models in MATLAB/Simulink based simulations.

Science Code : 90545

Key Words : Smart grids, distribution line, communication technologies, power line communication, high impedance failure

Page Number : 89

Supervisor : Prof. Dr. M. Cengiz TAPLAMACIOGLU

(6)

TEŞEKKÜR

Tez çalışmam sürecinde benden emeklerini esirgemeyen ve her zorluğumda yanımda olan danışmanın Prof. Dr. M. Cengiz TAPLAMACIOĞLU’na, çalışmalarım sırasında yardımcı olan ve takıldığım yerlerde çözüm önerisi sunan Doç. Dr. Haluk GÖZDE’ye teşekkür ederim.

Görev yaptığım Gazi Üniversitesi Teknoloji Fakültesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Bölümü asistanlarından Arş. Gör. Dr. Kayhan ÇELİK, Arş. Gör. Kezban KOÇ ve Öğr. Gör.

Furkan BALCI arkadaşıma bu zorlu süreçte yanımda oldukları ve ellerinden gelenin fazlasını yaptıkları için onlara çok teşekkür ediyorum.

Ayrıca manevi olarak her zaman desteklerini hissettiğim ve tez süresi boyunca yanımda olup varlıklarıyla destek olan kardeşime, babama ve nişanlıma teşekkür ediyorum. En özelini en sona saklayarak bugüne kadar beni hep nazlayan ve hüznümde sevincimde bana hep kucağını açan değerli anneme tezimi armağan ediyorum.

(7)

İÇİNDEKİLER

Sayfa

ÖZET ... iv

ABSTRACT ... v

TEŞEKKÜR ... vi

İÇİNDEKİLER ... vii

ÇİZELGELERİN LİSTESİ ... ix

ŞEKİLLERİN LİSTESİ ... x

SİMGELER VE KISALTMALAR... xiii

1. GİRİŞ

... 1

2. ELEKTRİK ENERJİSİ İLETİM VE DAĞITIM SİSTEMLERİ

... 7

2.1. Klasik Dağıtım Şebekesi ... 7

2.1.1. Dallı (Radyal) şebekeler ... 8

2.1.2. Ağ (Gözlü) şebekeler ... 8

2.1.3. Ring şebekeler ... 9

2.1.4. Enterkonnekte şebekeler ... 9

2.2. Akıllı Şebeke ... 9

2.3. Akıllı Şebekelerde Kullanılan Haberleşme Teknolojileri ... 12

3. GÜÇ HATTI HABERLEŞMESİ

... 17

3.1. GHH Bant Genişlikleri ... 19

3.1.1. Ultra dar bant güç hattı haberleşmesi ... 20

3.1.2. Dar bant güç hattı haberleşmesi ... 22

3.1.3. Geniş bant güç hattı haberleşmesi ... 25

3.2. GHH Kanallarında Gürültüler ... 28

3.2.1. Renkli zemin gürültüsü ... 28

(8)

Sayfa

3.2.2. Darbant gürültüsü... 29

3.2.3. Dürtüsel gürültü ... 30

4. DAĞITIM HATTINDA YÜKSEK EMPEDANS ARIZASI

... 33

4.1. Yüksek Empedans Arızası ... 33

4.1.1. Yüksek empedans arızasının özellikleri ... 34

4.1.2 Yüksek empedans arıza algılamanın önemi ... 36

4.2. YEA Modellerinin İncelenmesi ... 37

4.3. YEA Algılama Tekniklerinin İncelenmesi ... 42

5. DAĞITIM HATTI UZUNLUĞUNUN YEA AKIMINA ETKİSİ

... 45

5.1. Basitleştirilmiş Emanuel Modeli ... 46

5.1.1. Seçilen devrenin parametre değerleri ... 47

5.1.2. YEA akımı incelenmesi ... 48

5.1.3. Hat uzunluğunun 10 km olması durumunda yea akımı ... 48

5.1.7. Basitleştirilmiş Emanuel modeli için total harmonik distorsiyon ... 55

5.1.8. Basitleştirilmiş Emanuel modeli için en küçük kareler yöntemi ... 57

5.2. Emanuel Modeli İçin YEA Akımı İncelenmesi ... 60

5.3. Harmonik Kaynaklı Basitleştirilmiş Emanuel Modeli için YEA Akımı İncelenmesi ... 70

6. SONUÇ VE ÖNERİLER

... 77

KAYNAKLAR ... 81

ÖZGEÇMİŞ ... 89

(9)

ÇİZELGELERİN LİSTESİ

Çizelge Sayfa

Çizelge 2.1. Haberleşme teknolojilerinin bant genişlikleri ve veri hızları ... 16

Çizelge 5.1. Basitleştirilmiş Emanuel Modelinin parametre değerleri ... 47

Çizelge 5.2. Kaynak parametre değerleri ... 48

Çizelge 5.3. Dağıtım hattı parametre değerleri ... 48

Çizelge 5.4. Yük-I parametre değerleri ... 48

Çizelge 5.5. Basitleştirilmiş Emanuel Modelinde [0-0.1] sn aralığındaki ana kol akım değerleri ... 58

Çizelge 5.6. Basitleştirilmiş Emanuel Modelinde [0-0.1] sn aralığındaki formül çıktıları ... 58

Çizelge 5.7. Basitleştirilmiş Emanuel Modelinde [0-0.1] sn aralığındaki bağıl hata oranları ... 59

Çizelge 5.8. Basitleştirilmiş Emanuel Modelinde [0.1-0.2] sn aralığındaki ana kol akım değerleri ... 59

Çizelge 5.9. Basitleştirilmiş Emanuel Modelinde [0.1-0.2] sn aralığındaki formül çıktıları ... 59

Çizelge 5.10. Basitleştirilmiş Emanuel Modelinde [0.1-0.2] sn aralığındaki bağıl hata oranları ... 59

Çizelge 5.11. Emanuel Modelinde [0.1-0.2] sn aralığındaki ana kol akım değerleri ... 69

Çizelge 5.12. Emanuel Modelinde [0.1-0.2] sn aralığındaki formül çıktıları ... 70

Çizelge 5.13. Emanuel Modelinde [0.1-0.2] sn aralığındaki bağıl hata oranları ... 70

(10)

ŞEKİLLERİN LİSTESİ

Şekil Sayfa

Şekil 2.1. Türkiye’deki kurulu gücün değişimi ... 7

Şekil 3.1. GHH kanallarında bulunan farklı gürültü türleri ... 28

Şekil 4.1. Kum üzerinde YEA olayı ... 34

Şekil 4.2. Elektrik ark boyunca akım ve gerilim ... 35

Şekil 4.3. Elektrik ark boyunca akım-gerilim karakteristikleri ... 35

Şekil 4.4. Arıza akımının harmonik bileşenleri ... 36

Şekil 4.5. 1990'da önerilen Emanuel modeli ... 37

Şekil 4.6. 1993'de önerilen YEA modeli ... 38

Şekil 4.7. 1998’de önerilen YEA modeli ... 38

Şekil 4.9. 2003'de önerilen basitleştirilmiş Emanuel modeli ... 40

Şekil 4.11. 2005 yılında önerilen YEA modeli ... 41

Şekil 4.12. Birkaç Emanuel ark modeline dayanan yeni YEA modeli ... 41

Şekil 5.1. Kısa dağıtım hattı için örnek devre ... 45

Şekil 5.2. Basitleştirilmiş Emanuel Model için oluşturulan devre ... 47

Şekil 5.3. Basitleştirilmiş Emanuel Modelinde 10 km hat uzunluğu için ana kol akım grafiği ... 49

Şekil 5.4. Basitleştirilmiş Emanuel Modelinde 10 km hat uzunluğu için YEA akım grafiği ... 49

Şekil 5.5. Basitleştirilmiş Emanuel Modelinde 10 km ve 20 km hat uzunlukları için ana kol akım grafiği ... 50

Şekil 5.6. Basitleştirilmiş Emanuel Modelinde 10 km ve 20 km hat uzunlukları için YEA akım grafiği ... 51

Şekil 5.7. Basitleştirilmiş Emanuel Modelinde 10 km ve 30 km hat uzunlukları için ana kol akım grafiği ... 52

(11)

Şekil Sayfa Şekil 5.8. Basitleştirilmiş Emanuel Modelinde 10 km ve 30 km hat

uzunlukları için YEA akım grafiği ... 52 Şekil 5.9. Basitleştirilmiş Emanuel Modelinde 10 km ve 60 km hat

uzunlukları için ana kol akım grafiği ... 53 Şekil 5.10. Basitleştirilmiş Emanuel Modelinde 10 km ve 60 km hat

uzunlukları için YEA akım grafiği ... 54 Şekil 5.11. Basitleştirilmiş Emanuel Modelinde [0.1-0.2]sn ana kol akımı

ve YEA akım grafiği ... 55 Şekil 5.12. Basitleştirilmiş Emanuel Modelinde hat uzunluklarına göre

THD oranları. ... 57 Şekil 5.13. Emanuel Modeli için oluşturulan devre ... 60 Şekil 5.14. Basitleştirilmiş Emanuel Model ve Emanuel Modelinde 10 km

hat uzunlukları için ana kol akım grafiği ... 61 Şekil 5.15. Basitleştirilmiş Emanuel Model ve Emanuel Modelinde 10 km hat

uzunlukları için YEA akım grafiği ... 62 Şekil 5.16. Basitleştirilmiş Emanuel Model ve Emanuel Modelinde 20 km hat

uzunlukları için ana kol akım grafiği ... 63 Şekil 5.17. Basitleştirilmiş Emanuel Model ve Emanuel Modelinde 20 km hat

uzunlukları için YEA akım grafiği ... 67 Şekil 5.22. Emanuel Modelinde [0.1-0.2] sn ana kol akımı ve YEA akım

grafiği değerleri ... 67 Şekil 5.23. Basitleştirilmiş Emanuel Model ve Emanuel Modelin hat

uzunluklarına göre [0.1-0.2] sn aralığındaki ana kol akım değerleri ... 68 Şekil 5.24. Emanuel Modelinde hat uzunluklarına göre THD oranları ... 68

(12)

Şekil Sayfa Şekil 5.25. Basitleştirilmiş Emanuel Modelinin ve Emanuel Modelinin hat

uzunluklarına göre [0.1-0.2]sn aralığındaki THD oranları ... 69 Şekil 5.26. Harmonik Kaynaklı Basitleştirilmiş Emanuel Modelinde 10 km

ve 20 km hat uzunlukları için ana kol akım grafiği ... 71 Şekil 5.27. Harmonik Kaynaklı Basitleştirilmiş Emanuel Modelinde 10 km

ve 20 km hat uzunlukları için YEA akım grafiği ... 72 Şekil 5.28. Harmonik Kaynaklı Basitleştirilmiş Emanuel Modelinde 10 km

ve 30 km hat uzunlukları için YEA akım grafiği ... 73 Şekil 5.30. Harmonik Kaynaklı Basitleştirilmiş Emanuel Modelinde 10 km

ve 60 km hat uzunlukları için YEA akım grafiği ... 75 Şekil 5.32. Harmonik Kaynaklı Basitleştirilmiş Emanuel Modelinde hat

uzunluklarına göre THD oranları ... 75

(13)

SİMGELER VE KISALTMALAR

Bu çalışmada kullanılmış simgeler ve kısaltmalar, açıklamaları ile birlikte aşağıda sunulmuştur.

Simgeler Açıklamalar

A Amper

dB Desibel

GHz Giga Hertz

Hz Hertz

bps Bits per second

kbps Kilo bits per second

kHz Kilo Hertz

km Kilometre

kV Kilovolt

kVA Kilo-volt amper

m Metre

Mbps Mega bits persecond

ms Milisaniye

sn Saniye

V Volt

Kısaltmalar Açıklamalar

AA Alternatif Akım

ADSL Asymmetrical Digital Subscriber Line AEKF Adaptive Extended Kalman Filter AG Alçak Gerilim

ATM Asynchronous Transfer Mode

CC Control Center

ComSoc Communication Society

DA Doğru Akım

DOE United States Department of Energy

(14)

Kısaltmalar Açıklamalar

DSL Digital Subscriber Line

DWT Discrete Wavelet Transform

EMTP Electromagnetic Transients Program

EPRI Electric Power Research Institute

GB-GHH Geniş Bant Güç Hattı Haberleşmesi

GHH Güç Hattı Haberleşmesi

GSM Global System Mobile

HDSL High-bitrate Digital Subscriber Line

IEC International Electrotechnical Commission

IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers

NETL National Energy Technology Laboratory

NIST National Institute of Standards and Technology

OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing

OG Orta Gerilim

OPERA Open PLC European Research Alliance

OSI Open Systems Interconnection

PLC Power Line Communication

PMU Phasor Measurement Unit

PRIME Power-line Intelligent Metering Evolution

RCS Ripple Control System

RF Radio Frequency

SISO Single Input-Single Output

TACS Transient Analysis of the Control System

TEAİŞ Türkiye Elektrik İletim A.Ş.

TVR Time Varying Resistors

UDB-GHH Ultra Dar Bantlı Güç Hattı Haberleşmesi

VDSL Very-high-bitrate Digital Subscriber Line

WiMAX World Interoperability for Microwave Access

WMAN Wireless Metropolitan Area Network

YEA Yüksek Empedans Arızası

YG Yüksek Gerilim

(15)

1. GİRİŞ

Günümüz elektrik altyapısı uzun zamandır değişmeden kalmıştır ve elektrik enerjisi dağıtımı için oldukça karmaşıktır. Bu karmaşıklık ihtiyaçlarımıza uygun değildir. Özellikle sanayi devrimi sonrası sürekli artan dünya nüfusu varlıklı bir toplum inşa etmeye ve küresel ölçekte hızla artan enerji talebini ortaya çıkarmıştır. Bu durum küresel çevreyi tehdit etmeye başlamış ve mevcut olan birincil enerji kaynaklarını sınır değerlerine ulaştırmaktadır.

Ülkeler son 50 yılda temiz ve güvenli enerji üretimi için yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımına ilgi göstermeye başlamıştır. Yenilenebilir enerji kaynakları özellikle elektrik enerji üretiminde ve kullanımında bazı zorlukları da getirmiştir. Yeni enerji kaynaklarının sebep olduğu zorlukların üstesinden gelebilmek için yeni bir elektrik şebeke altyapısı ihtiyacı doğmuştur. Yenilenebilir kaynakların yönetimi akıllı şebeke kavramını ortaya çıkarmıştır.

Akıllı şebekelerin, güvenilir olması, çift yönlü haberleşme ile sağlanan gerçek zamanlı izleme yoluyla enerji arzı ve talebi arasında denge sağlaması, otomatik kontrol ve modern haberleşme kontrolleri aracılığıyla yenilenebilir ve alternatif enerji kaynaklarının sorunsuz entegrasyonu ile gelişmiş verimlilik sağlaması modern elektrik şebekesi altyapısını oluşturmuştur. Farklı bireyler, ülkeler ve kurumlara göre akıllı şebekenin sahip olması gereken özellikler ve ihtiyaçları farklıdır. Akıllı şebekeler güvenilir, verimli ve yüksek performanslı olmalıdır [1].

ABD’de bulunan Ulusal Enerji Teknolojisi Laboratuvarı (NETL) [2] akıllı şebeke için yedi farklı özellik yayınlamıştır. Bu özellikler maliyet, elektrik üretim ve depolama seçenekleri, verimli elektrik, üretim ve verimlilik kayıplarının sağlanması, az ekipman arızası ve sistem güvenliği, şebeke bileşenlerini algılama ve analiz etme, dayanıklılık ve güvenlik gibi maddeleri kapsamaktadır. Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsüne (NIST) [3] göre ise akıllı şebekenin tanımı dijital bilgi işlemeden ve haberleşme teknolojilerinin altyapısından geçmektedir. Akıllı şebekeler çift yönlü enerji akışı sağladığından dolayı uygulamada sadece akıllı sayaçların kullanımının ötesine geçmektedir.

ABD Enerji Bakanlığı'nın (DOE) Modern Şebeke Girişimi [4] ise akıllı şebekeden farklı beklentiler içerisindedir. Bu beklentiler kendi kendini iyileştirmesi, tüketici dostu olması,

(16)

yüksek güvenilir ve güç kalitesine sahip olması, siber saldırılara karşı dayanıklı olması, çeşitli dağıtılmış üretim ve depolama seçeneklerini bulundurması ve varlık kullanımını optimize etmesidir. Bu 6 özelliğin bir araya gelmesiyle akıllı şebekenin tam anlamıyla var olmasını ifade etmişlerdir [4].

Akıllı şebeke kavramının geliştirilmesi için standartların yayınlanmasının yanında, farklı ülkeler tarafından değişik projelerde yapılmıştır [5]- [6]. Bu projeler akıllı şebekelerin beklentileri karşılaması ve teknolojiye uyum sağlayarak daha verimli hale getirilmesi için yapılan uygulamalardır. Bu uygulamaların arasında International Electrotechnical Commission (IEC)’nin kurmuş olduğu SG3 projesi de yer almaktadır [5]. Bu proje akıllı şebekelerde güvenlik, haberleşme, kesinti önleme, dağıtım otomasyonu, gelişmiş sayaç altyapısı, talep yanıtı ve yük yönetimi gibi özellikleri içerisinde barındırmaktadır. EPRI IntelliGrid [6] ise toplumun gelecekteki ihtiyaçlarını desteklemek için, güç dağıtım altyapısının akıllı şebekeye dönüşümünü hızlandırmayı hedefleyen ve 50’den fazla şirket tarafından finanse edilen, 2001 yılında kurulmuş bir kuruluştur.

Akıllı şebekelerde haberleşme, kablolu ve kablosuz teknolojilerle gerçekleştirilmektedir. Bu haberleşme teknolojilerinin akıllı şebekeler için uygulama alanları, kapsama alanları ve veri hızları birbirinden farklıdır. Her haberleşme teknolojisi kendi avantajlarına göre akıllı şebekelere uygulanmakta ve gerekli durumlarda her iki teknoloji bir arada kullanılabilmektedir.

Bu tez çalışmasında akıllı şebekelerde güç hattı haberleşme teknolojisi ele alınarak, bu teknolojide meydana gelebilecek YEA (Yüksek Empedans Arızası) konusu detaylı incelenmiştir. Yüksek empedans arızası genellikle elektrik güç dağıtım sistemlerinde birincil şebeke seviyesinde, bir tepe iletkeni kırıldığında veya asfalt yol, kum, çimento veya ağaç gibi yüksek empedanslı bir yüzeye dokunduğunda meydana gelir. Arıza noktasındaki yüksek empedans nedeniyle akım değerinde aşırı bir değişikliğe neden olmaz, bu nedenle geleneksel aşırı akım rölesinin bunu tespit etmesi genellikle zordur. Bu koşullar altında, canlılara zarar veren yüksek gerilim değerleri ve YEA'larla ilişkili ortaya çıkabilecek elektrik arkı, canlı ve özellikle insan güvenliği için ciddi bir risk ve özellikle endüstriyel kurulumlarda endişe kaynağı durumundadır. Bu nedenle hem insan güvenliği hem de operasyonel güvenilirlik bakış açılarından önceden tespiti ve önlenmesi kritik öneme sahiptir.

(17)

Yüksek empedans arızasının, modellemesi zordur, çoğu YEA çalışmaları, şimdiye kadar etkin bir şekilde modellenmemiş olan ark durumunu içermektedir. Bazı araştırmacılar, YEA'ların doğrusal olmayan ve asimetrik olduğunu ve modellemenin rastgele ve dinamik ark özelliklerini içermesi gerektiği konusunda bir fikir birliğine varmışlardır [7]. [7]’ de yer alan Emanuel modeli, laboratuvar ölçümlerine dayanmaktadır ve sıfır ark ve asimetri periyodunu simüle etmek için iki diyotla anti-paralel bağlanmış iki DA (Doğru Akım) kaynağı önermiştir [7]. Diğer bir çalışmada, toprak empedansındaki doğrusal olmama durumunun dikkate alınması için ark yüksek empedans arızası, bir direnç ve bir DA kaynağı ile seri halde iki diyot seti (pozitif ve negatif) olarak modellenmiştir [8]. Wai ve arkadaşları 1998 yılında ark teorisine dayanarak, doğrusal olmayan empedansı, zamanla değişen gerilim kaynaklarını ve Kontrol Sisteminin Geçici Analizini (TACS) kapsayan gerçekçi bir YEA modeli tanıtmıştır [9]. 2001 yılında ise TACS tarafından kontrol edilen iki seri zamanla değişen dirençler (Time Varying Resistors-TVR), YEA'i modellemek için kullanılmıştır [10]. Lai ve arkadaşları Basitleştirilmiş Emanuel Modeli tanıtmıştır. Bu modelde simetrik arıza akımlarını temsil eden iki eşit olmayan direnç vardır [11]. Asimetrik arıza akımlarının simüle edilmesi için farklı direnç değerleri seçilmiştir [11]. 2004 yılında tanıtılan model ise doğrusal olmayan bir direnç, iki diyot ve her yarım döngüde rastgele genlik değiştiren iki DA kaynağından oluşmaktadır [12]. Michalik ve arkadaşları doğru akım (DA) ve alternatif akım (AA) kaynakları, doğrusal direnç, doğrusal olmayan zamanla değişen direnç ve ark tutuşma anlarını kontrol etmek için iki diyot ve polarize edici rampa voltajları içeren YEA modeli önermişlerdir [13]. 2010 yılında ise Sedighi ve ark. Emanuel modeline dayanarak, birkaç yay modelini YEA akımı üretmek için paralel olarak bağlayarak bir YEA modeli önermişlerdir [14].

Birçok yazar YEA teorisi ve elektrik arkındaki akım ve gerilim dinamikleri üzerine çalışmaktadır [7]. Ancak önerilen YEA modellerinin çoğu 1990 yılında önerilen Emanuel modeline dayanmaktadır. Bazı çalışmalarda YEA modeli sunmanın yanında tespit yöntemleri de önerilmiştir [15,16].

Zoric ve arkadaşları havai hatlarda ark arızalarının tespiti için algılama algoritması sunmuşlardır [15]. Bu algoritma gerilim sinyallerinin harmonik analizine dayanmaktadır.

Farklı bir algoritma ise ark arızasının tespiti için özelliklerini Ayrık Dalgacık Dönüşümüne (Discrete Wavelet Transform-DWT) dayandıran bir algoritmadır [17]. 2009 yılında Samantaray ve arkadaşları birleşik Uyarlanabilir Genişletilmiş Kalman Filtresi (Adaptive Extended Kalman Filter-AEKF) ve Olasılıksal Nötr Ağ (Probabilistic Neutral Network-

(18)

PNN) modellerini kullanarak doğrusal olmayan yükleme koşulunda bir HIT tespit tekniği sunmuştur [18]. 2012 yılında ise Fazör Ölçüm Birimi (Phasor Measurement Unit-PMU) kullanılarak, üçüncü harmonik akım fazörünün değiştirilmesine dayanan bir algılama algoritması önerilmiştir [19]. Torres ve arkadaşları 2014 yılında dalga formlarının harmonik analizlerine dayanan bir algılama algoritması önermiştir [20]. 2016 yılında ise Santos ve arkadaşları DWT yöntemiyle olayını, anahtarlama arızası gibi diğer oluşabilecek olaylardan ayırmak için ayrı bir algoritma önermiştir [21]. 2019 yılında Qiushi Cui ve ark. sınıflandırma yöntemine dayanan bir tasarım oluşturmuştur [16].

Yazarlar YEA’nın hem modellemesi üzerine hem de algılama yöntemlerinde detaylı çalışmalar gerçekleştirmişlerdir. Yapılan çalışmalar çoğunlukla YEA olayının algılanmasını ve arıza yerinin belirlenmesine yönelik çalışmalardır. YEA olayı genellikle dağıtım hatlarında meydana gelmektedir. Akıllı şebekeler alçak gerilim ve orta gerilimden beslenmektedir. Bu sebepten akıllı şebekelerin bulunduğu yerlerde olayının meydana gelmesi çok yüksek ihtimaldir. Özellikle akıllı şebekelerin bulunduğu yerler insanların ve canlıların yoğun olduğu konumlar olduğundan dolayı akıllı şebekeler için oldukça önemlidir.

Bu çalışmada Matlab/Simulink’de örnek devreler kurulmuştur. Öncelikli olarak devreye Basitleştirilmiş Emanuel Modeli anahtarlama yardımıyla bağlanmıştır. Sonrasında ise farklı bir model olan Emanuel Modeli bağlanmış ve son olarak ise Basitleştirilmiş Emanuel Modeline harmonikli kaynak bağlanmıştır. Toplam simülasyon süresi 0.2 sn olup, 0.1’nci saniyede modeller devreye bağlanacaktır. Devrede bulunan dağıtım hattı uzunluğu değiştirilerek her bir uzunluk değerinin ana kol akımına ve YEA akımına etkisi incelenmiştir. Modellerde 4 farklı uzunluk değeri kullanılmıştır: 10 km, 20 km, 30 km ve 60 km. Dağıtım hattı uzunluğu 10 km’ye sahip devre ile diğer dağıtım uzunluklarına sahip devreler sırasıyla kıyaslanmıştır. Basitleştirilmiş Emenuel Modeli ve Emanuel Modelinde hat uzunlukları için alınan akım dalgaları arasındaki faz farkları hesaplanmıştır. Sonraki aşama olarak her iki modelin akım değerleri için THD oranları bulunarak özet bir grafik oluşurulmuş ve sonrasında yine her iki modelin akım değerleri için en küçük kareler yöntemi metodu kullanılarak akım değerleri formülize edilmiş ve her bir akım değerinin ayrı ayrı hata oranları bulunmuştur. Son aşama olarak ise Basitleştirilmiş Emanuel Modeli ve harmonik kaynaklı Basitleştirilmiş Emanuel Modelinin akım grafikleri kıyaslanmıştır.

(19)

Yapılan çalışmalar sonucunda YEA arızası için uygun model Basitleştirilmiş Emanuel Modeli olarak belirlenmiştir.

Geleneksel dağıtım ağlarının hem güç sağlayıcılarına hem de tüketicilere daha fazla yetenek sağlayacak akıllı şebekelere yükseltilmesine yönelik yoğun ilgi, belirli bir sorunu çözmek için yeni teknolojileri kullanma zorluğunu ortaya koymaktadır. Enerji hatları üzerinden bilgi aktarımından yararlanma imkânı, Güç Hattı Haberleşmesi (GHH) teknolojisini bunun için önemli bir aday haline getirmektedir. Güç sistem koruması hem güvenlik hem de işlevsellik nedenleriyle yüksek öneme sahip bir konudur. Kusursuz bir güç sistem koruma planı, hiçbir tehlikeli aşırı gerilimin insan hayatını veya ekipmanın çalışmasını her koşulda tehlikeye atmasını önlemelidir. Doğal olarak, böyle bir sistemin tasarımı ve geliştirilmesi ya çok pahalı ya da çoğu kez olanaksızdır.

Güç dağıtım ağları çeşitli türlerde hatalara tabidir. Geleneksel koruma konsepti, ölçülen akım değerine bağlı bir zaman yanıtını takiben, bir akım önceden belirlenmiş bir değeri aştığında fider akımlarının izlenmesine ve devre kesicilerin açılmasına dayanır. Bununla birlikte, bir arıza nedeniyle şebeke akımının yükselmesi esas olarak arıza empedans değerine bağlıdır. Sonuç olarak, bir arızanın yüksek bir empedans değeri göstermesi ve izlenen besleyici akımında sadece hafif bir artışa neden olması mümkündür. Böyle bir durumda, besleme devresi koruyucu ekipmanı, akım artışını şebeke yükündeki bir değişikliğe bağlayacağından arızayı algılayamayacak ve böylece artan kademe gerilimleri ve yangının başlama olasılığı gibi güvenlik sorunları yaratacaktır.

Çalışmamızda GHH’de meydana gelebilecek YEA durumu ele alınmış olup MATLAB/Simulink ortamında bir dağıtım devresi simülasyonu yapılmıştır. Dağıtım devresine ilk olarak Basitleştirilmiş Emanuel Modeli anahtarlama yoluyla bağlanmıştır.

Simülasyon süresi 0.2 sn sürecek ve anahtar 0.1 sn’de açılacak şekilde ayarlanmıştır.

Simülasyonda aşamalı olarak dağıtım hattı uzunlukları değiştirilmiştir ve uzunlukların ana kol akımına ve YEA akımına etkisi incelenmiştir. Yapılan çalışma sonucunda dağıtım hattı uzunluğunun ana kol akımını ve YEA akımını etkilediği, uzunluk arttıkça 0.1 sn’ye kadar ana kol akım değerinin azaldığı ve 0.1 sn ve 0.2 sn aralığında, YEA modelinin devreye bağlanmasıyla, akım grafiğinin bozulmaya başladığı görüntülenmiştir. Ayrıca YEA akımı da 0.1 sn ve 0.2 sn aralığında azalmıştır.

(20)

Sonrasında ise devreye Emanuel Modeli bağlanmış ve akım değerleri dağıtım hattı uzunluklarına göre kıyaslanmıştır. Son olarak ise Basitleştirilmiş Emanuel Modeline harmonikli kaynak bağlanmış ve akım değerleri analiz edilmiştir.

Mevcut çalışma sonucunda dağıtım hattı uzunluğunun YEA olayı üzerindeki etkisi analiz edilmiş ve ana kol akım grafiğinin değiştiği dikkate alındığında YEA olayının tespit edilebilmesini kolaylaştıracağı gösterilmiştir.

(21)

2. ELEKTRİK ENERJİSİ İLETİM VE DAĞITIM SİSTEMLERİ

Elektrik enerjisi ilk defa 1878 yılında günlük hayatta kullanılmaya başlamış, ilk elektrik santrali ise 1882’de Londra’da hizmete girmiştir. Ülkemizde ilk elektrik üretimi, 1902 yılında Tarsus’ta tesis edilen 2 kW gücündeki küçük bir su türbini ile gerçekleşmiştir.

İlk büyük santral ise 1913 yılında İstanbul Silahtarağa’da kurulan 15 MW güce sahip termik santral olmuştur. Nisan 2021 tarihi itibariyle Türkiye’de 97.069 MW kurulu güç mevcuttur [22]. Türkiye’deki kurulu gücün yıllara göre değişimi Şekil 2.1.’de gösterilmektedir [22].

Şekil 2.1. Türkiye’deki kurulu gücün değişimi [22]

2.1. Klasik Dağıtım Şebekesi

Elektrik enerjisi üretim merkezleri ile tüketim yerleri genellikle birbirinden uzak yerlerdedir.

Elektrik üretim santralinde üretilen elektriğin gerilim seviyesinin yükseltilerek iletilmesini, daha sonra bu gerilim seviyesinin kademeli olarak düşürülüp dağıtılmasını ve son kullanıcı olan tüketiciye ulaştırılmasını sağlayan ve bu aşamaların çoğunda otomasyon sistemlerinin kullanılmadığı şebekelere klasik şebeke adı verilir. Elektrik enerjisinin üretiminden tüketimine kadar kullanılan gerilim seviyeleri şu şekilde sıralanır:

• Alçak gerilim şebekeleri (0-1 kV arası)

• Orta gerilim şebekeleri (1- 35 kV arası)

1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015 2020 Seri 1 2.234, 4.186, 5.118, 9.119, 16.315 20.951 27.264 38.819 49.524 73.146 94.801 0,00

20.000,00 40.000,00 60.000,00 80.000,00 100.000,00

KURULU GÜÇ (MW)

Eksen Başlığı

Türkiye'deki Elektrik Enerjisi Kurulu Gücünün Yıllara Göre

Değişimi

(22)

• Yüksek gerilim şebekeleri (35 – 154 kV arası)

• Çok yüksek gerilim şebekeleri (154 kV ve üzeri)

Bu hatlar taşınan gücün gerilim seviyesine göre isimlendirilmektedir. Yüksek Gerilim (YG) hatları iletim şebekesini, Orta Gerilim (OG) ve Alçak Gerilim (AG) hatları ise dağıtım şebekesini oluşturmaktadır. Bu hatlar birbirlerine trafolar aracılığıyla bağlanmaktadır. İletim sırasında dikkat edilmesi gereken en önemli kriterlerden birisi kayıp miktarıdır. 50 Hz ya da 60 Hz elektrik frekansında iletim halindeyken enerji kaybı minimum yaşanmalıdır. Sözü geçen gerilim hatlarının farklı mesafelerde enerji taşıma sınırlaması vardır. Örneğin, OG hatları YG/OG arasında başlamakta ve AG hatlarına bağlanmaktadır. Enerji akışı YG seviysinden başlayarak AG noktasına kadar gelir bu noktadan da kullanıcılara dağıtılır.

Türkiye Elektrik İletim A.Ş. (TEİAŞ) tarafından işletilen elektrik iletim sistemi 70.034 km enerji iletim hattı uzunluğuna, 747 transformatör merkezine, 141.2 TWh elektrik enerjisi üretimine ve 11 adet enterkonneksiyon bağlantısına sahiptir [22].

Elektrik enerjisi üretim merkezlerinden yüksek gerilimli iletim hatlarıyla tüketim bölgelerinin yakınlarına ulaştırılır ve buraki şalt sahalarında gerilimleri düşürülerek tüketicilere dağıtılır. Bu aşamalarda trafolar, direkler, kesiciler, ayırıcılar, bobinler, parafudurlar ve daha birçok şalt tesisi elemanları kullanılır. Bu elemanlar farklı şekillerde birbirlerine bağlanarak dağıtım şebekelerini oluşturur. Bu şebekeler dallı şebeke, ring şebeke, ağ şebeke ve enterkonnekte şebeke olmak üzere dört çeşittir.

2.1.1. Dallı (Radyal) şebekeler

Enerji beslemesinin tek bir kaynaktan yapıldığı ve şebekenin dağıtım şeklinin bir ağacın dallarına benzediği şebeke türüdür.

2.1.2. Ağ (Gözlü) şebekeler

Beslemenin birden fazla trafo ile yapıldığı ve alıcıları besleyen hatların bir ağ gibi örülerek gözlerin oluşturulduğu şebeke tipidir.

(23)

2.1.3. Ring şebekeler

Beslemenin birden fazla trafo ile yapıldığı ve bütün trafoların birbirine paralel şekilde kapalı bir sistemin oluşturduğu şebeke tipidir.

2.1.4. Enterkonnekte şebekeler

Elektrik enerjisinin kullanılacağı bölgelerin tamamını ya da belirli bölgelerinin ihtiyacını karşılamak için elektrik üretim ve tüketim merkezlerinin arasındaki bağlantıyı sağlayarak enerji iletimini gerçekleştiren sistemlere enterkonnekte sistemler adı verilir. Bu sistemde elektrik üretim ve tüketim araçlarının hepsi sisteme dâhil edilmektedir. Birbirlerine uzak yerlerde olan enerji üretim ve tüketim merkezleri arasındaki bağlantı enterkonnekte sistemlerle sağlanır. Yüksek gerilimde iletim sırasında kayıp miktarının minimum seviyede tutulması için bu sistemler sıklıkla kullanılır. Enterkonnekte sistemlerde enerjiden, alandan ve buna bağlı olarak harcamalardan tasarruf sağlanır.

2.2. Akıllı Şebeke

Günümüz elektrik enerjisi altyapısı, ihtiyaçları yaklaşık olarak bir asırdır hiç değişmeden başarıyla karşılamış ve hayatımızın her alanında devrim yaratmıştır. Bununla birlikte, mevcut altyapı yaşlandıkça daha az verimli hale gelmesi sebebiyle, çalışma sınırlamalarına karşı ve sürekli artan gereksinimlere ayak uydurmak için sürekli zorlanmaktadır. Bundan dolayı güvenilirlik, ölçeklenebilirlik, yönetilebilirlik, çevre dostu enerji üretimi ile birlikte çalışabilirlik ve maliyet etkinliği ihtiyaçları gibi işlevselliklere sahip, yeni, güvenilir, verimli ve esnek bir enerji alt yapısına geçiş yapılma zorunluluğu ortaya çıkmaktadır [23].

Geleneksel şebeke sadece elektik enerjisi iletimi ve dağıtımı yaparken akıllı şebekeler depolama, haberleşme ve karar verme özelliklerine de sahiptir [24]. Akıllı şebeke, mevcut şebekeyi iş birliğine dayalı, daha duyarlı ve düzenli olarak çalışan bir şebekeye dönüştürmektedir [25], ayrıca akıllı şebekeler çoğu uygulamada beklenmedik koşullar altında güvenlik tehlikelerini veya olası arızaları önlemek için kendini tanıma ve kendini iyileştirme özelliğine de sahiptir [26].

Akıllı şebekenin tanımı aynı zamanda yerel koşullara da bağlı olup; farklı ülkeler akıllı şebekeye doğru ilerleme için çok farklı başlangıç noktalarına sahip olmuşlardır [1]- [2].

(24)

Akıllı şebeke, "saldırılara ve doğal olarak meydana gelen güç kesintilerine karşı güvenilirliği, kullanılabilirliği, verimliliği, ekonomik performansı ve daha yüksek güvenliği en üst düzeye çıkarmak için bir platform" sağlayabilmektedir [1]. 2007 yılında EISA07 bir akıllı şebekenin temel özelliklerini tanımlamıştır [27]. Bu özelliklerin arasında dijital bilgilerin kullanılması, şebeke operasyonlarının ve araştırmasının dinamik optimizasyonu, yenilenebilir kaynaklarının kullanımı gibi konular başta olmak üzere dağıtık enerji kaynaklarının geliştirilmesi, tüketicilere enerji alımlarının kontrolü için fiyatlandırma konusunda zamanında bilgi verilmesi, akıllı cihazların haberleşmesi ve ara bağlantısı için standartların geliştirilmesi vardır [27]. NETL ise akıllı şebeke için aşağıdaki yedi özelliği ortaya koymuştur [2]:

• "Tak ve çalıştır" bağlantılarıyla çeşitli kaynaklar, daha verimli ve daha temiz enerji için yeni fırsatlar da dâhil olmak üzere elektrik üretimi ve depolama seçeneklerini çoğaltır,

• Şebekenin erişime açık pazar haline gelmesiyle akıllı şebekeler, yeni nesil elektrikli araçlar gibi, yeni tüketici seçeneklerini arttırmış ve aynı zamanda daha verimli elektrik piyasası sağlar,

• İhtiyaç duyanlar için dijital düzeyde güç kalitesi sunarak, özellikle dijital cihaz ortamlarında üretim ve verimlilik kayıplarını ortadan kaldırır,

• Minimum maliyette istenen işlevsellik, operasyonlara rehberlik eder ve varlıkların daha eksiksiz şekilde kullanılmasını sağlar. Daha hedefli ve verimli şebeke bakım programları, daha az ekipman arızası ve daha güvenli operasyonlar sağlar,

• Akıllı şebeke, şebeke bileşenlerini veya ağ bölümlerini algılamak, analiz etmek, yanıtlamak ve gerektiğinde geri yüklemek için sürekli öz değerlendirmeler gerçekleştirir,

• Şebeke, fiziksel veya siber saldırıları engeller veya bunlara dayanaklık gösterir ve kamu güvenliğini artırır,

• Tüketici tercihleri ve şebeke ile artan etkileşim hem şebekeye hem de çevreye somut faydalar sağlarken, müşteriye iletilen elektriğin maliyetini düşürür.

Kore’de yayınlanan Akıllı Şebeke Yol Haritası 2030 başlıklı çalışmada, bir akıllı şebekenin, tedarikçiler ve tüketiciler arasında gerçek zamanlı olarak iki yönlü elektrik bilgisi alışverişi yolu ile enerji verimliliğini optimize etmek için bilgi teknolojilerini mevcut elektrik şebekesine entegre eden yeni nesil bir ağ oluşturduğunu belirtilmiştir [28]. NIST’e göre ise akıllı şebeke, birçok çeşit dijital bilgi işlem ve haberleşme teknolojisi ve hizmetlerini güç

(25)

sistemi altyapısına entegre eden bir şebeke sistemidir. Çift yönlü enerji akışı ve iki yönlü haberleşme ve kontrol yetenekleri gibi yeni işlevler getirebildiğinden, evler ve işletmeler için akıllı sayaçların ötesine geçer [3]. DOE modern şebeke girişimine [4] göre, bir akıllı şebekenin aşağıdaki ana özellikleri ortaya çıkarması beklenmektedir:

• Arızayı hızla tespit etme, analiz etme, yanıt verme ve geri yükleme yeteneği,

• Bir tüketiciyi şebekeye dâhil etme yeteneği,

• Bir gücün kalitesi, tüketici ihtiyaçlarını karşılama yeteneği,

• Siber ve fiziksel saldırılara karşı bağışıklık yeteneği,

• Yenilenebilir enerji gibi yeni teknolojilere uyum sağlaması,

• Sermaye varlıklarının izlenmesi, optimizasyonu, işletme ve bakım maliyetlerini en aza indirmesi özelliği.

IEC, 2010 yılında Smart Grid Strategic Group (SG3) kurmuştur [5]. SG3‘ün yayınladıkları belgelerde akıllı şebekeler “elektrik şebekelerinin modern kavramı” olarak tanımlamıştır [5].

Electric Power Research Institute (EPRI) IntelliGrid [6] projesi, güvenli, yüksek kaliteli, güvenilir elektrik ürünleri ve hizmetleri sağlamak için elektrik altyapısının uygun maliyetli bir şekilde dönüştürülmesini kolaylaştıracak teknolojilerin geliştirilmesini, entegrasyonunu ve uygulanmasını sağlamayı hedefleyen 2001 yılında oluşturulmuş bir projedir.

Akıllı şebeke, güç iletimi, dağıtımı ve tüketimi sırasında neredeyse gerçek zamanlı olarak yakalanan verileri toplayan ve analiz eden, elektrik şebekesiyle entegre olan bir veri haberleşme ağıdır. Akıllı şebekelerin mimarilerinde haberleşme ihtiyacı, yakın-alan (Bina ve tesis içi) ve uzak-alan (Şehir içi ve şehirlerarası) haberleşmelerinin her ikisini de kapsamaktadır. Akıllı bir şebeke, iki yönlü dijital teknolojileri kullanarak tedarikçiler ve tüketiciler arasında elektrik sağlar. Enerji tasarrufu yapmak, maliyeti düşürmek ve güvenilirliği, verimliliği ve şeffaflığı artırmak için tüketicilerin evindeki veya binasındaki akıllı cihazları kontrol eder. Birbirine bağlı elemanların çalışmasının otomatik olarak izlenmesini, korunmasını ve optimize edilmesini sağlar. Akıllı bir şebeke, otomatik, geniş çapta dağıtılmış bir dağıtım ağı oluşturmak için elektrik ve bilgi akışlarının çift yönlü bağlantısı ile karakterize edilir. Gerçek zamanlı bilgi sağlamak ve neredeyse anlık arz ve talep yönetimi dengesini sağlamak için eski elektrik şebekesi ile modern haberleşmenin faydalarını birleştirir [29].

(26)

2.3. Akıllı Şebekelerde Kullanılan Haberleşme Teknolojileri

Elektrik şebekesinin haberleşme altyapısı “haberleşme ağı” olarak adlandırılır. Akıllı şebekelerde iletim, dağıtım ve müşteri alanlarında haberleşme için birçok haberleşme teknolojisi kullanılabilse de her problem için en uygun teknoloji olmayabilir. Ancak bir teknoloji veya bir teknoloji alt kümesi mevcuttur. Bu teknolojiler aynı etki alanında çalışan veya benzer haberleşme gereksinimleri olan güç sistemi uygulamaları gruplarıdır. Belirli bir güç sistemi uygulamasında bir haberleşme teknolojisi seçilmeden önce, uygulama gereksinimlerini teknoloji özellikleriyle eşleştirmek için kapsamlı bir analiz yapılması gerekir. Elektrik şebekesi, operasyonları desteklemek için bir haberleşme ağı kullanmaktadır. Bu haberleşme ağı, bakır kablolar, optik fiber, güç hattı taşıyıcısı gibi kabloludan kablosuz ağlara kadar çeşitli haberleşme teknolojilerden meydana gelmektedir.

İletişim için en önemli bileşen, kontrol merkezleri ile bağımsız trafo merkezleri arasında olandır. Bununla birlikte, mevcut haberleşme ağı yetersiz, esnek ve pahalıdır. Yetersiz olarak adlandırılmasının sebepleri:

• Mevcut haberleşme ağı yalnızca üretim ve iletim bölümlerini kapsamaktadır. Büyük değişikliklerin gerçekleşmesinin beklendiği dağıtım tarafını kapsamaz,

• Kurulu haberleşme ağının kapasitesi ve hızı, akıllı şebeke uygulamalarının gelecekteki kapasite artışı ve hız gereksinimlerini karşılamak için yetersizdir,

• Mevcut ağda değişiklik yapmak zor ve maliyetlidir. Yeni katılımcıların eklenmesi, ek haberleşme ağı kurulumlarını veya mevcut uygulamaların bu katılımcıları barındıracak şekilde değiştirilmesini gerektirebilir. Bu sadece tasarım, donanım ve programlama maliyetleri açısından pahalı değildir, aynı zamanda veri teslimi için gecikmeyi de artırabilir [30].

Akıllı şebekeler, farklı türde haberleşme ağları kullanmaktadır. Her hizmet birimi farklı topolojilere, düzenleyici rejimlere ve haberleşme sistemlerine sahip olacağından, akıllı şebekeler için tek bir çözüm veya temsili bir ağ yoktur. Akıllı şebekelerin, çeşitli ortamlarda [31] şebeke bileşenlerine verimli ve güvenilir erişim sağlamak için farklı haberleşme teknolojilerinden oluşan karma bir ağ tarafından desteklenen çok katmanlı bir ağ olması önerilmektedir. Temel olarak, kablolu ve kablosuz, lisanslı ve lisanssız, özel ve ticari, sabit ve mobil, dar bant ve geniş bant dahil olmak üzere çeşitli haberleşme ağları mevcuttur.

(27)

Kablosuz LAN, WiMAX, hücresel, ZigBee, mobil geniş bant kablosuz erişim, dijital mikrodalga teknolojisi ve bluetooth kablosuz haberleşme teknolojileride bunlara dahildir.

LAN teknolojisi IEEE 802.11 tabanlı kablosuz Yerel Alan Ağı (Local Area Network-LAN), sağlam, yüksek hızlı noktadan noktaya ve noktadan çok noktaya haberleşme sağlar. Wi-Fi olarak bilinen IEEE 802.11b, maksimum 11 Mbps veri hızı sunarken IEEE 802.11n 130 Mbps veri hızı sunar ve Doğrudan Sıralı Yayılı Spektrum (Direct Sequence Spread Spectrum-DSSS) modülasyon tekniği ile 2.4 GHz ve 5 GHz frekans bandında çalışır.

Kablolu LAN teknolojisi kurulum kolaylığı, cihazlara hareket imkânı ve uygunluğundan dolayı kablolu LAN teknolojisine göre daha avantajlıdır [32].

WiMAX teknolojisi Kablosuz Metropolitan Alan Ağı (Wireless Metropolitan Area Network-WMAN) için IEEE 802.16 serisi standartlarının bir parçasıdır [33]. Temel amacı, mikrodalga erişimi için dünya çapında birlikte çalışabilirliği sağlamaktır. Sabit haberleşme için 3,5 ve 5,8 GHz bantları ayrılmışken, mobil haberleşme için 2,3, 2,5 ve 3,5 GHz frekans bantları atanmıştır. 2.3, 2.5, 3.5 GHz spektrumları lisanslıdır; 5.8 GHz ise lisanssız spektrumdur. 70 Mbps'ye kadar veri hızı ve 48 km'ye kadar kapsama mesafesi sağlar [34].

GSM (Global System Mobile) tabanlı teknolojilerin temel avantajı, diğer kablosuz ağlara kıyasla daha geniş kapsama alanına sahip olmasıdır. 3G (3. Nesil) / 4G (4. Nesil) hücresel teknoloji, 824- 894 MHz / 1900 MHz spektrum aralığında çalışır. Bunlar lisanslı frekans bantlarıdır [35]. 1G teknolojisi 24 Kbps, 2G teknolojisi 64 Kbps veri hızı, 3G teknolojisi 144 Kbps-2Mbps veri hızı ve 4G teknolojisi 100 Mbps-1 Gbps veri hızı sunar. Hücresel modeme sahip mobil cihazların veri aktarımı hücreden hücreye değiş tokuş edilir ve bu da kesintisiz veri akışını kolaylaştırır. Bu şekilde noktadan noktaya mimari oluşturur. Normalde kablolu bileşenlerin kablosuz hale gelmesini sağlamak için seri veya Ethernet arabirimi üzerinden veri alabilir ve hücresel ağ üzerinden ikinci bir arabirim üzerinden veri iletebilir. Bu teknoloji, geniş veri kapsama alanı sunar, bakım maliyeti yoktur ve ağ, taşıyıcı tarafından tamamen korunur [36].

ZigBee haberleşme teknolojisi genişletilmiş ağ yönetimi yetenekleri sayesinde hem endüstriyel hem de ticari uygulamalarda yaygın olarak benimsenmiştir ve IEEE 802.15.4 standardını temel alır. ZigBee, DSSS modülasyon tekniği ile 868 MHz, 915 MHz ve 2.4

(28)

GHz lisanssız frekans aralığında çalışır. 20-250 Kbps veri hızı sunar ve 10-100 m kapsama alanı sağlar [37].

Mobil Geniş Bant Kablosuz Erişim için IEEE 802.20 standardı, hem IEEE 802.11 Kablosuz Geniş Alan Ağı (Wireless Local Area Network-WLAN) hem de IEEE 802.16 WMAN'ların olumlu özelliklerini kullanarak 3,5 GHz'nin altındaki lisanslı frekans bantlarında yüksek bant genişliği, yüksek mobilite ve düşük gecikme sağlar. Ayrıca MobileFi olarak da bilinir.

1 Mbps ile 20 Mbps'lik veri hızları arasında gerçek zamanlı en yüksek veri hızı sunar. Bu standart, 250 km/sa araç hızına kadar tam hareketlilik için optimize edilmiştir [38].

Dijital mikrodalga, 2-40 GHz lisanslı frekans bandında çalışır ve 155 Mbps'ye kadar veri hızı sağlar. Mikrodalga teknolojisi, 60 kilometreye kadar çok uzun mesafelerde kapsama sağlar. Ethernet veya Eşzamansız İletim Modu (Asynchronous Transfer Mode-ATM) bağlantı noktasından veri alır ve diğerine mikrodalga radyo olarak iletir [39].

Bluetooth, kablosuz kişisel alan ağı standardı IEEE 802.15.1'in bir parçasıdır. Düşük güçlü, kısa menzilli radyo frekansı haberleşme standardıdır. 2.4-2.4835 GHz lisanssız endüstriyel, bilimsel ve tıbbi (Industrial, Scientific and Medical-ISM) bandında çalışır. 721 Kbps veri hızı sunar [37]. Böylece hem noktadan noktaya hem de çok noktalı haberleşme yapılandırmasına işaret etmeyi kolaylaştırır. İletişim konfigürasyonuna bağlı olarak 1m- 100m arası mesafe kapsama alanı sunar.

Fiber optik, Dijital Abone Hattı (Digital Subscriber Line-DSL), koaksiyel kablo ve GHH kablolu haberleşme teknolojilerindendir [39].

Fiber optik haberleşmenin en önemli avantajları, Gbps veri paketlerini birkaç kilometreye iletme yeteneği ve elektromanyetik parazitlere karşı dayanıklılığıdır. Bu özellikler onu YG hatları için uygun hale getirir. Yüksek veri hızları (40 Gbps’a kadar) sunar ve böylece, uzun mesafelerde yüksek hızlı veri aktarımını kolayca destekler. Optik fiber tabanlı haberleşme, akıllı şebeke için uzun vadeli bir çözüm sağlar. Ancak, ön yatırım ve bakım maliyetlerinin yüksek olması nedeniyle maliyetli olabilir [40].

(29)

DSL haberleşme teknolojisi, telefon hatlarını kullanarak dijital veri iletimi sağlar [41].

Dolayısıyla, bu altyapı, elektrik tesislerinin kontrol merkezlerine bağlı olması nedeniyle haberleşme ortamı için ek kurulum maliyetini önler. 3 çeşit DSL teknoloji türü vardır.

• Asimetrik DSL (Asymmetrical Digital Subscriber Line-ADSL ), 8 Mbps'ye kadar indirme hızı ve 800 Kbps'ye kadar yükleme hızı olmak üzere iki yönde farklı veri hızları sağlar,

• Yüksek hızlı DSL (High-bitrate Digital Subscriber Line-HDSL) sistemleri, 3,6 km'lik bir mesafede 2,048 Mbps'ye kadar veri hızını destekler,

• Çok yüksek veri hızlı DSL (Very-high-bitrate Digital Subscriber Line-VDSL), daha hızlı veri aktarımı, yani 100 Mbps sağlayan bir DSL teknolojisidir [41].

Koaksiyel kablo, kablolu televizyon altyapılarına dayanan yüksek hızlı bir veri aktarım teknolojisidir. Koaksiyel kablo ağları, temel olarak yayın hizmetleri, yani televizyon ve radyo kanalları için tasarlanmıştır. Kablo üzerinden veri servis arayüzü spesifikasyonu, mevcut hibrit fiber koaksiyel altyapısı üzerinden yüksek hızlı veri aktarımı sağlayan uluslararası bir koaksiyel kablo haberleşme teknolojisidir [41]. Belirtilen haberleşme teknoloji özellikleri Çizelge 2.1.’de özet halinde verilmektedir.

(30)

Çizelge 2.1. Haberleşme teknolojilerinin bant genişlikleri ve veri hızları HABERLEŞME

TEKNOLOJİLERİ BANT GENİŞLİĞİ VERİ HIZI

Kablosuz LAN 2.4 GHz ve 5 GHz 130 Mbps

WiMAX Sabit Haberleşme için 3.5 ve 5.8 GHz

Mobil Haberleşme için 2.3-2.5-3.5 GHz 70 Mbps

GSM 824-894 MHz / 1900 MHz 1 Gbps

ZigBee 868 MHz-9.5 MHz-2.4 GHz 20-250 Kbps

Mobil Geniş Bant Kablosuz

Erişim <3.5 GHz 1 Mbps-

20Mbps

Dijital Mikrodalga 2-40 GHz 155 Mbps

Bluetooth 2.4-2.4835 GHz 721 Kbps

Fiber Optik 10¹⁴ hZ-10¹⁵ hZ 40 Gbps

DSL 4 kHz-1100 kHz 100 Mbps

Koaksiyel Kablo 5 MHz-3GHz 10 Mbps

(31)

3. GÜÇ HATTI HABERLEŞMESİ

Güç hattı haberleşme teknolojileri, zaman ve maliyetleri azaltmak için bu önemli mevcut dallı ve birbirine bağlı altyapılardan yararlanarak, güç iletim, dağıtım ve tüketim ağlarında veya başka herhangi bir elektrikli ortamda kullanılan elektrik kabloları aracılığıyla haberleşme ağlarının kullanılmasını sağlayarak veri aktarımına izin verir. Bu tür veri iletimi, kapalı ortamlarda veya açık havada gerçekleştirilebilir.

Literatürde ilk kez 1838’de bilginin güç kabloları üzerinden iletilebileceği bir teknolojiden bahsedilmiştir [42]. O zamanlar, İngiliz bilim adamı Edward David (1806–55), “Elektrik Yenileme” olarak bilinen sinyal aralığını iyileştirmek için iletim hatlarına pillerin takıldığı bir sistem yaratmıştır [43], bu pillerin gerilim seviyesini uzaktan izlemek için, Londra- Liverpool telgraf sisteminin güç kaynağı hattı aracılığıyla bir haberleşme sistemi geliştirmiştir [44]. 1897’ de ise Joseph Routin ve C.E.Brown, günümüzde kamu hizmetleri tarafından uzaktan izlenen enerji sayaçlarının kullanılmasını sağlayan güç hattından elektrik tesisine gönderilen sinyallerle kontrol edilen güç ölçer patentini almıştır [44].

1918’de AT&T, telefon hatları üzerinden Ticari Taşıyıcı Frekansı (Commercial Carrier Frequency-CaF) başlatmıştır. Geliştirilen CaF teknolojisi ile birden fazla telefon kanalının, her kanal kendi iletim frekansını kullanarak, bir telefon devresi üzerinden iletilmesine izin verilmiştir. Güç hatları telefon hatlarına göre daha sağlam ve mevcut olduğundan dolayı CaF aracılığıyla ses iletimi için kullanılmaya başlanmıştır. Yine 1918’de Japonya’da ilk test yapılmış ve telefon sinyalinin 144 km’lik elektrik hatları üzerinden ses iletimi gerçekleştirilmiştir [45].

1920’nin sonlarında ABD’de ve Avrupa’da var olan “kablosuz kablolu” olarak bilinen telefon sinyali 1929’da 50 ile 150 KHz arasındaki frekans aralığında çalışabilen sistemler kurulmuştur [45]. 1923’te CaF teknolojisi, ilk radyo sistemi için, Wired Radio Service Company tarafından test edilmiştir. Genlik modülasyonu frekans bandındaki radyo sinyalleri, abonelerin elektrik hatlarından yayılan sinyalleri alabilmeleri ve ayarlayabilmeleri için OG hatlarına yerleştirilmiştir. Taşıyıcı akım olarak bilinen bu sistem, daha hassas alıcılar ve antenler gerektiren geleneksel radyo sistemlerinden daha basit ve kolaydı bu sebepten dolayı kullanımı daha yaygın olmuştur. Bu sistem günümüzde arabalı

(32)

sinemalarda ve otobüs duraklarındaki yolcu bilgilendirme sistemlerinde halen kullanılmaktadır.

1930’larda Almanya’da düşük frekanslı tek yönlü haberleşme sistemleri (3 KHz’in altında) yük yönetimi uygulamaları için AG ve OG güç hatlarında kullanılmıştır [46]. Bu sistemler 1950’lerde ABB’nin öncül şirketlerinden Brown Boveri Electric’in diğer şirketlerle birlikte yüklerin elektrik şebekesine bağlanmasını veya kesilmesini yönetmek için bir güç hattı haberleşmesi sistemi geliştirmiştir. Dalgalanma kontrol sistemi (Ripple Control System- RCS) olarak bilinen bu sistem, birçok Avrupa ülkesinde konuşlandırılmıştır. Bu sistemde güç hizmeti, müşteri tesisindeki OG güç hattına bağlı alıcılar tarafından algılanan 3 KHz’in altındaki frekanslarda elektrik kontrol sinyalleri gönderir, bu sinyaller yüksek güçlü yükleri veya yük gruplarını uzaktan değiştirerek güç kuruluşunun tepe yükleri kontrol etmesine olanak tanımıştır [46]. Yüksek güce sahip bu düşük frekanslı sinyaller, AG güç hatlarına bağlı müşterilere ulaşmak için OG / AG transformatörlerini geçerek geniş bir alanı kapsayabilir [46].

1940’larda GHH teknolojisi ticari olarak bebek arabalarında kullanılsa da GHH’leri içeren ilk ticari proje, 1975 yılında bir İskoç şirketi olan Pico Electronics'in X10 ile ortaya çıkmıştır.

X10 standardı ABD pazarına tanıtılmış ve ev otomasyon endüstrisini başlatmıştır [47]. X10 sistemlerinde, dijital veriler (bir adres ve bir komuttan oluşur), 120 KHz'lik bir taşıyıcıyı modüle ederek ve modüle edilmiş sinyali güç şebekesinin 50/60 Hz sinyalinin (geçiş başına bir bit) sıfır geçişi sırasında iletilerek bir kontrol cihazından kontrollü bir cihaza gönderilir [47]. Bu sistemler 20 Kbps'lik (kullanılabilir hız) veri hızlarına ulaşabilir [48].

Uluslararası GHH Sempozyumu ve Uygulamaları, GHH'nin zorlukları ve başarıları üzerine tartışmalar için Avrupa ve Asya'daki haberleşme araştırmacıları tarafından 1997'de düzenlenmiştir. 2006 itibariyle, bu konferans Elektrik ve Elektronik Mühendisleri Enstitüsü İletişim Topluluğu (Institute of Electrical and Electronics Engineers Communication Society-IEEE ComSoc) tarafından mali ve teknik olarak desteklenmektedir. 2000 yılında, Geniş Bant Güç Hattı İletişimi (GB-GHH) uygulamaları için standartlar oluşturmayı amaçlayan kâr amacı gütmeyen bir endüstri birliği olan HomePlug Power Alliance kurulmuştur [49]. 2001 yılında bu ittifak, iç mekân uygulamaları için uygun olan (örneğin, ev içinde geniş bant İnternet paylaşımı) ve 4,5-21 MHz frekans bandında çalışan ilk standardı olan HomePlug 1.0'ı piyasaya sürmüştür. Ortogonal Frekans Bölmeli Çoğullama

(33)

(Orthogonal Frequency Division Multiplexing-OFDM), çok taşıyıcılı bir modülasyon tekniğine ve çarpışma algılayıcıyla taşıyıcı dinleyen çoklu erişime dayanan bu standart, cihazlar arasındaki yaklaşık 300 m mesafe ile maksimum 1,3-5,3 Mbps veri hızları sunmaktadır [49].

2004 yılında, 35 katılımcıdan (kamu hizmetleri, üniversiteler, telekomünikasyon operatörleri ve GHH teknolojileri şirketleri) ve Avrupa Topluluğu'ndan araştırma fonundan oluşan Open GHH European Research Alliance (OPERA) projesi oluşturulmuştur. Bu projenin amacı, mevcut GHH teknolojilerinin iyileştirilmesi, standartlaştırılması ve GHH ağlarının omurgalara bağlanması için çözümlerin geliştirilmesiyle ve tüm Avrupa vatandaşlarına elektrik hatları aracılığıyla düşük maliyetli geniş bant erişim hizmeti sunmayı sağlamayı amaçlamıştır.

Şu anda, sırasıyla PRIME Alliance ve G3-PLC (Power Line Communication) Alliance tarafından önerilen güç hattı akıllı ölçüm evrimi (Power-line Intelligent Metering Evolution- PRIME) ve G3-GHH gibi 500 KHz'nin altında çalışan yeni Dar Bant Güç Hattı İletişimi (DB-GHH) teknolojileri, 150 Kbps ile 1 Mbps arasında teorik veri hızları sunabilir [50].

HomePlugAV2 gibi 100 MHz'e kadar frekanslarda çalışan yeni GB-GHH teknolojileri, kapalı ortamlarda 2 Gbps'ye kadar teorik veri hızlarına ulaşabilmektedir [51].

500 KHz'nin altında çalışan GHH teknolojileri, çok sayıda akıllı şebeke uygulamasının gerektirdiği veri oranlarını karşıladıklarından ve lisanslı radyo haberleşme bantlarında parazit seviyesini azaltmak için düşük frekansların gerekli olduğu dış ortamlarda kullanılabildiğinden ve daha geniş bir kapsam sağladığından akıllı şebekelerde özellikle ilgi çekmiştir. GHH’de veri iletimi, birkaç KHz aralığına kadar dağıtım transformatörleri kullanılarak gerçekleştirilir [52]. [52]’de yapılan çalışmada GHH'nin dağıtım transformatörleri üzerinden kullanımını ele almaktadır.

3.1. GHH Bant Genişlikleri

GHH’de temel olarak, iletilecek veriler, uygun şekilde modüle edildikten sonra (ana bant veya bant geçişinde) bir bağlantı devresi vasıtasıyla elektrik kablolarına enjekte edilir. Elde edilen GHH sinyali (modüle edilmiş veriler), daha yüksek bir frekansta çalışarak 50/60-Hz

(34)

güç hattı sinyali dalga formu ile birlikte var olurlar. Ayrıca, GHH sinyalleri DA güç şebekelerine de enjekte edilebilir.

Vericide, kullanılan GHH standardı ile uyumlu olması gereken uygun bir veri arabirimi üzerinden, farklı iletişim protokollerine sahip çeşitli harici cihazlar GHH modeme bağlanabilir. İletilecek bilgi, ikili dijital formatta, bir İleri Hata Düzeltme (Forward Error Correction-FEC) şeması ile kodlanır ve bilgileri iletişim kanalının (yani, güç hatlarının) neden olduğu hatalara karşı korumak için araya eklenir. Modülatör daha sonra dijital (kodlanmış) bit akışını, enerji hattı kabloları üzerinden verimli bir şekilde iletilmek üzere bir analog temel bant veya bant geçiş sinyaline eşler. Modüle edilmiş sinyal, genellikle analog bir temel bant veya bant geçiren filtre olan bir bağlantı devresi aracılığıyla elektrik kablolarına enjekte edilir.

Alıcıda, aynı zamanda bir temel bant veya bant geçiren filtre olan dekuplaj devresi, modüle edilmiş bilgi sinyalinin sadece frekans aralığını seçerek 50/60-Hz güç hattı sinyalini ve istenmeyen elektrik gürültülerini azaltabilir. Demodülatör, analog temel bant veya bant geçiş sinyalini dekuplaj devresinden ayıran (kodlanmış) bit akışına ayırır; bu, iletişim kanalı tarafından ve güç hattındaki farklı gürültü türleri tarafından ortaya konan hataları içerebilir.

Son olarak, bit akışı serpiştirilmiş ve karşılaşılan hataları algılayan ve düzelten kod çözücüye yönlendirilir ve harici cihazlara doğru veri bilgisini sunar.

GHH sistemleri genellikle veri aktarım bant genişliğine göre sınıflandırılır ve üç ana gruba ayrılabilir [53]:

• Ultra Dar Bant GHH(UDB-GHH)

• Dar Bant GHH

• Geniş Bant GHH

3.1.1. Ultra dar bant güç hattı haberleşmesi

Süper Düşük Frekans (DF) (30–300 Hz) ve ultra DF (0,3-3 KHz) bantlarında çalışan GHH sistemleri UDB-GHH olarak sınıflandırılır. DF'leri nedeniyle bu sistemler, çoğu müşterinin sinyal tekrarlayıcılara ve / veya ek bağlantı devrelerine ihtiyaç duymadan AG / OG ağlarına bağlanmasına olanak tanıyan OG / AG transformatörleri aracılığıyla uzun menzilli iletişim

(35)

sağlar. UDB-GHH teknolojileri ağırlıklı olarak yük yönetimi için iletişim sistemleri olarak kullanılmaktadır. RCS olarak bilinen bu sistemlerde, güç hizmetleri, elektrik şebekesine uzaktan bağlanmak veya yükleri veya jeneratörleri şebekeden ayırmak için elektrik şebekesi aracılığıyla kontrol sinyalleri gönderir. Böylece elektrik enerjisi, esas olarak talebin yoğun olduğu zamanlarda yönetilebilir. RCS sinyalleri, 100 Hz ile 3 KHz (tipik olarak 150 ile 1,350 Hz arasında) arasındaki frekans bandını işgal eder ve güç hizmetleri tarafından kontrol merkezinin (Control Center-CC) bağlı olduğu OG güç hatlarına enjekte edilir. OG veya AG (trafoları geçerek) elektrik hatlarına bağlı endüstriyel ve konut tesislerinde, CC'den 150–200 km uzaklıkta bulunan müşterilere ulaşabilirler. Müşteri tarafında, elektrik tesisleri tarafından kurulan ve belirli yüklere veya yük gruplarına bağlı cihazlar (örn. sıcak su kazanları, elektrikli ısıtma, ev aletleri, sokak aydınlatması) ve jeneratörlerden alınan komutlara göre güç şebekesine bağlanmasını veya bağlantısını kesmeyi mümkün kılar.

RCS'ler elektrik sektöründeki şirketler için özel olarak üretilmiştir, bu nedenle bu tür hizmetler için standardizasyon veya lisans ücreti yoktur. RCS'ler için iki ana UDB-GHH standardı vardır: iki yönlü otomatik iletişim sistemi (TWACS) ve Turtle [49]. TWACS, 1982'de oluşturulan ve günümüzde yaygın olarak kullanılan elektrik hattı aracılığıyla bir iletişim standardıdır [49]. Otomatik Sayaç Okuma (Automatic Meter Reading-AMR) uygulamaları için, hizmet alanlarındaki elektrik tesislerinde çift yönlü haberleşme sağlamak için geliştirilmiştir. Ayrıca yük yönetimi amacıyla da kullanılabilir ve TWACS uzun menzilli iletişim sağladığından dolayı esas olarak konutların kentsel merkezlerden daha uzakta olduğu küçük kasabalarda ve kırsal alanlarda kullanılır (kırsal alanlarda 300 km'den fazla). TWACS sistemleri 60 Hz güç hatlarında 120 Bps'ye ve 50 Hz'de 100 Bps'ye (döngü başına 2 bit) kadar veri hızlarına ulaşabilir [54]. UDB-GHH diğer standart olan Turtle AMR uygulamaları için geliştirilmiştir. Bu teknoloji, güç hatları üzerinden tek yönlü haberleşme sağlar ve binlerce cihazın sürekli olarak dijital bilgi iletmesine olanak tanır. Her güç ölçer, 0,0015 Hz bant genişliği ile 5–10 Hz aralığında belirli bir frekans kullanır. Bu çok dar bant genişliği, yalnızca 0.0005 Bps'lik bir veri hızı sağlar, böylece bir sayacın basit okunması genellikle tam gün sürer, bu da mevcut sistemi yük yönetimi uygulamaları için uygunsuz hale getirir.

(36)

3.1.2. Dar bant güç hattı haberleşmesi

DB-GHH sistemleri, çok DF (3–30 KHz) ve DF (30–300 KHz) ve Orta Frekans (OF) bandının (300 KHz-3 MHz) bir kısmını kapsayan 3 ile 500 KHz arasındaki frekans bandında çalışır [53]. UDB-GHH sistemleri gibi, düşük frekansların kullanılması, DB-GHH teknolojilerinin harici uygulamalarda lisanslı telsiz haberleşme hizmetlerine müdahale riski olmadan kullanılmasına izin verir. İlk ilgili DB-GHH sistemi, 1978'de başlatılan ve bugün hala popüler olan X10 protokolüdür. 120 KHz'de çalışan ve 20 Bps kullanılabilir veri hızları sunan elektrik hatları aracılığıyla konut otomasyonu (ör. Işıklar ve cihaz kontrolü) için tasarlanmıştır [55]. Ev otomasyon uygulamasına ek olarak, DB-GHH sistemleri, evlerde enerji izleme, kontrol ve analizine adanmış ev enerji yönetim sistemlerinde de kullanılabilir.

Bu kullanım ev aletlerinin izlenmesi ve kontrolü, ısıtma sistemi ve aydınlatma, fotovoltaik panellerin ve pillerin entegrasyonu ve hatta takılabilir elektrikli araçlarla iletişim ve güç şirketinden (enerji sayacı) alınan enerjinin izlenmesini sağlar. 1991 yılında, Avrupa'da elektroteknik mühendisliği alanında standardizasyondan sorumlu olan Avrupa Elektroteknik Standardizasyon Komitesi (CEN- European Committee for Standardization-CENELEC), AG güç hatlarında sinyalizasyon için 3 ile 148,5 KHz arasındaki frekans bandını düzenleyen EN50065-1 standardını yayınlamıştır. Bu frekans bandı, her biri farklı kullanıcılara ve uygulamalara ayrılmış olan CENELEC A, B, C ve D bantları olarak adlandırılan dört gruba ayrılmıştır [56]:

• CENELEC A (3–95 KHz), enerji sağlayıcıları ve bunların hizmetlerine ayrılmıştır,

• CENELEC B (95–125 KHz), herhangi bir erişim protokolüne ihtiyaç duymadan güç hizmetleri (tüm uygulamalar) müşterileri için ayrılmıştır,

• CENELEC C (125–140 KHz), ev ağı iletişimi amacıyla elektrik hizmetleri sunan müşteriler için ayrılmıştır. Bu bantta, çalışan farklı ve/veya uyumsuz sistemlerin bir arada bulunmasına izin veren erişim protokolünün, yani CSMA/CA’nın kullanılması zorunludur,

• CENELEC D (140-148,5 KHz), enerji hizmetlerinin (alarmlar ve güvenlik sistemleri, erişim protokolü olmadan) müşteri için ayrılmıştır.

DB-GHH sistemleri iki gruba ayrılabilir: Düşük Veri Hızlı (Low Data Rate-LDR) ve Yüksek Veri Hızlı (High Data Rate-HDR) [53].